劉明星，王敬燾，康國棟，錢 航，官思佳

(1.國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037；2.國家國防科技工業(yè)局重大專項工程中心，北京 100101；3.航天科工空間工程發(fā)展有限公司，北京 100101；4.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

隨著人類航天探索能力的不斷提升,對地球和宇宙的認知水平和探測意愿也隨之提高。各類探測衛(wèi)星讓人類對地球了解的廣度、深度和維度不斷擴展,隨之而來的是各類衛(wèi)星工程對無線電頻譜資源需求的幾何式增長。截至2023年10月,全球已有196個國家和地區(qū)向國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)提交衛(wèi)星網(wǎng)絡資料申請,加入空間無線電頻譜和軌道資源的爭奪中[1]。

隨著使用無線電頻率的各類臺站數(shù)量的增加,頻譜資源有限性和易污染性問題變得愈加明顯。各類嚴重干擾問題對空間探測工作的開展產生了巨大不利影響,為確保衛(wèi)星地球探測業(yè)務(Earth Exploration-Satellite Service,EESS)安全有序開展,亟需對搭載該類業(yè)務的地球探測衛(wèi)星的頻率使用情況開展監(jiān)測方法研究。

1 EESS和頻譜監(jiān)測現(xiàn)狀

遙感衛(wèi)星是對EESS空間電臺的一般稱呼,該業(yè)務是ITU定義的42種無線電業(yè)務中的1種,也是空間無線電業(yè)務通信、定位、探測、科學和輔助分類中的1類。當前,以遙感衛(wèi)星為代表的探測類空間無線電業(yè)務已成為商業(yè)航天競爭的焦點。

EESS是指地球站與一個或多個空間電臺之間的無線電通信業(yè)務,包括空間電臺之間的鏈路。在這種業(yè)務中,由地球衛(wèi)星上的有源遙感器或無源遙感器獲得有關地球特性及其自然現(xiàn)象的資料,包括有關環(huán)境狀況的數(shù)據(jù);從航空器或地球基地平臺收集同類資料;此種資料可分發(fā)給有關系統(tǒng)的地球站;可包括平臺詢問;亦可包括其作業(yè)所需的饋線鏈路[2-3]。

從定義可知,EESS可利用各類星載傳感器、探測器開展對特定區(qū)域或場景的數(shù)據(jù)采集,探測過程中可使用的技術手段多樣。隨著傳感器技術的發(fā)展,對地探測的場景會越來越豐富。截至2023年 9月,全球申報EESS網(wǎng)絡資料的國家有29個[1],主要國家的網(wǎng)絡資料申報數(shù)量統(tǒng)計如圖1所示。美國、法國和俄羅斯等傳統(tǒng)航天大國在EESS的頻率儲備方面表現(xiàn)積極,印度、沙特阿拉伯和巴布亞新幾內亞等新興經(jīng)濟體也在積極參與EESS頻譜資源爭奪。

圖1 各國申報EESS衛(wèi)星網(wǎng)絡資料申報情況統(tǒng)計Fig.1 Statistics of EESS satellite network filings

全球范圍已有40余家商業(yè)遙感運營商,大部分為美國公司。歐洲、印度和日本等地區(qū)和國家也部署了遙感星座和系統(tǒng),在國防、自然資源、基礎設施、能源、環(huán)境、位置服務、災害管理、海洋和金融等領域發(fā)揮作用[4-5]。

我國已陸續(xù)發(fā)射了用于陸地探測的資源系列、高分系列和環(huán)境系列遙感衛(wèi)星,用于氣象探測的風云系列衛(wèi)星,以及用于海洋監(jiān)測的民用遙感衛(wèi)星。得益于商業(yè)航天發(fā)展,除已初具規(guī)模的吉林一號遙感星座外,還有大批商業(yè)遙感星座正在部署。目前我國遙感衛(wèi)星已服務包括農業(yè)、水利、環(huán)境、氣候、應急、國土、礦產、港口和航運等多個領域[5-7]。

EESS的應用場景多樣,源于該業(yè)務的頻率特征明顯,一方面體現(xiàn)為頻率劃分的豐富性,另一方面體現(xiàn)為各類臺站頻率使用的差異性。在現(xiàn)有頻譜監(jiān)測模式中,監(jiān)測系統(tǒng)以監(jiān)測天線的工作頻段為核心,對監(jiān)測目標開展無差別監(jiān)測,注重獲取頻段的整體結果和占用情況,對臺站特征參數(shù)的關注不夠,對頻率使用條件的關注不多,尤其在非靜止軌道衛(wèi)星批量過境時無法高效獲取頻譜數(shù)據(jù)[8]。基于上述原因,監(jiān)測結果的應用價值未能全面發(fā)揮,監(jiān)測數(shù)據(jù)對提升無線電管理水平的作用未能有效體現(xiàn),造成監(jiān)測工作對促進頻譜資源管理高質量發(fā)展的助力不夠。本文基于EESS的頻率劃分特征和頻率使用特征,提出了一種基于頻率特征分類專門針對EESS的頻譜監(jiān)測方法。

2 EESS的頻率劃分特征

EESS的頻率劃分模式與其他無線電業(yè)務相同,都是在劃分規(guī)定中以表格的方式,針對具體的頻率段展開,這其中包含直接給出的劃分結果,以及以腳注形式給出的額外規(guī)定和附加使用要求。本文中,上述2種方式分別為基本頻率劃分和附加頻率劃分。從EESS的定義和現(xiàn)有的無線電業(yè)務種類來看,衛(wèi)星氣象業(yè)務(Meteorological-Satellite Service)是一種明確了專門用途的EESS,在文中EESS包含衛(wèi)星氣象業(yè)務。本節(jié)研究EESS基本頻率劃分和附加頻率劃分特征。

2.1 基本頻率劃分

從ITU最新頻率劃分規(guī)定來看,在第三區(qū)作為主要業(yè)務劃分給衛(wèi)星地球探測和衛(wèi)星氣象2種業(yè)務的頻率總量高達80 GHz,作為次要業(yè)務劃分的頻率總量近5 GHz[2-3]。在不考慮附加劃分條件的情況下,EESS比作為主要的遠距離通信手段的衛(wèi)星固定業(yè)務的頻率劃分總量還要多,如表1所示。

表1 EESS和衛(wèi)星氣象業(yè)務的基本頻率劃分Tab.1 Basic frequency allocation on EESS and MetSS

由表1可以看出,在頻率劃分規(guī)定中除了對業(yè)務頻段地位的要求——主要劃分和次要劃分外,還有對工作模式的規(guī)定——有源和無源,以及對頻率使用方向的區(qū)分——空對地、地對空和空對空。

EESS較空間無線電業(yè)務中通信類的業(yè)務的代表——衛(wèi)星固定業(yè)務(Fixed Satellite Service,FSS),多了工作模式“有源”和“無源”的維度?！坝性础笔侵高b感衛(wèi)星上搭載有源傳感器,可通過傳感器發(fā)射和接收無線電波來獲取和感知信息;“無源”是指遙感衛(wèi)星上搭載的無源傳感器,通過傳感器接收大自然輻射的無線電波來獲取信息。

EESS的2種工作模式,對工作頻段的要求有很大差異,也導致監(jiān)測工作將在不同頻段有不同的要求,需要在監(jiān)測中充分了解各頻段基本劃分情況中的3個維度,如圖2所示。

圖2 EESS基本頻率劃分的3個維度Fig.2 Three dimensions of basic frequency allocation on EESS

2.2 附加頻率劃分

除了基本劃分外,在《無線電規(guī)則》中常用腳注對部分頻段的使用作額外的規(guī)定,這是頻率使用的補充說明——附加劃分,通過對頻段添加腳注、對業(yè)務添加腳注的方式,規(guī)定頻率的附加使用條件,如 圖3所示。

圖3 EESS附加頻率劃分示例Fig.3 Example of additional frequency allocation on EESS

有時,某一頻段內同為主要劃分地位的2種或多種業(yè)務的使用條件會有差異,即對其中部分業(yè)務的使用提出限制或要求。在研究當前無線電規(guī)則的基礎上,對EESS附加頻率劃分的55個腳注中的額外使用要求,進行了總結分類,如表2所示。

表2 EESS和衛(wèi)星氣象業(yè)務的附加頻率劃分Tab.2 Additional frequency allocation on EESS and MetSS

對于EESS的附加劃分規(guī)定,大致可以分為6類:

① 劃分頻段內EESS使用場景的要求,共有 7個腳注。這些附加劃分分別規(guī)定了使用相應頻率的具體場景,如只能用于數(shù)據(jù)傳輸或只能開展有源遙感或無源遙感。

② 劃分頻段內禁止一切發(fā)射,雖然只有1個腳注——5.340,但該腳注作用的頻率為1 400 MHz～252 GHz,共21個頻段。為保證EESS無源工作場景下具有較高靈敏度的傳感器工作,需要良好的電磁環(huán)境,故要杜絕劃分頻帶內的非自然發(fā)射或輻射。

③ 劃分頻段內EESS對其他業(yè)務的保護共有36個腳注,詳細規(guī)定了劃分頻段內EESS需要保護的業(yè)務及保護的具體要求,這些受保護的業(yè)務既有地面的導航類、通信類業(yè)務,也有空間類的衛(wèi)星固定等業(yè)務。

④ 劃分頻段內對EESS臺站的功率限制共有 5個腳注,規(guī)定了空間電臺和地球站運行過程中的功率限值,以功率通量密度(Power Flux-Density,PFD )的形式給出。

⑤ 劃分頻段內EESS臺站須遵守的建議書或決議共有5個腳注,規(guī)定了EESS在頻率使用中需要額外遵守的建議書或決議

⑥ 劃分頻段使用的額外要求共有1個腳注。該腳注包含三方面的內容:一是說明2個頻段EESS的使用條件——其中間頻段無法滿足帶寬的要求時才可以用;二是說明使用上述頻段需要的協(xié)調要求;三是規(guī)定上述頻段通知資料可采取參考依據(jù)。

這些隱含在腳注中的附加劃分規(guī)定,如ITU-R建議書RS.2065-0、RS.2065-0規(guī)定了合成孔徑雷達在X和Ku頻段的使用要求[9-10],RS.1260-2、 RS.2106給出不同傳感器的使用要求[11-12],ITU決議751給出Ku頻段EESS與FSS的共存準則[13],是頻率劃分和使用的額外要求,既包含對其他業(yè)務的保護要求,還涉及需要遵守的建議書、決議等內容,對頻譜監(jiān)測帶來了新的困難。

3 EESS的頻率使用特征

EESS空間電臺——遙感衛(wèi)星的有效載荷(星載遙感器)用于實現(xiàn)對地面目標的高空偵察,以獲取有關數(shù)據(jù)及相關信息。按照工作模式,遙感衛(wèi)星的有效載荷可分為無源和有源2類。有源傳感器主要為主動微波儀器等類雷達設備,具有無線電發(fā)射和接收能力,如高度計、散射計、成像雷達、氣象雷達(測風、測水和測云)、激光雷達和合成孔徑雷達等,這類傳感器向偵查目標發(fā)射電磁信號,通過接收地面或目標物體的回波,反演獲得相應信息。無源傳感器主要包括被動微波儀器、光學/紅外相機和多光譜掃描儀等,此類傳感器接收(捕捉)來自于偵察目標自身輻射(發(fā)射)的電磁信號或物理特征。當遙感衛(wèi)星過境時,對指定目標或區(qū)域進行感知、監(jiān)控、跟蹤、拍照和記錄,將獲得的目標數(shù)據(jù)和信息通過無線電實時或延時傳輸?shù)降孛娼邮照净蛑欣^衛(wèi)星。

EESS不同于衛(wèi)星固定、衛(wèi)星廣播等通信類空間業(yè)務,其核心技術原理體現(xiàn)為“遙感”二字,即使用各類傳感器在不直接接觸物體的情況下,對遠距離目標進行探測識別。無線電頻率的使用場景包括:① 承載有源遙感器的有源發(fā)射功能,為無源遙感器工作在一定帶寬內提供良好的電磁條件;② 為遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)回傳提供通信鏈路;③ 為了解衛(wèi)星運行狀態(tài)、操作衛(wèi)星運行和確保衛(wèi)星正常工作提供控制管理鏈路。本節(jié)結合EESS臺站分析頻率使用特征。

3.1 空間電臺頻率使用

根據(jù)憂思科學家聯(lián)盟(The Union of Concerned Scientists, UCS)數(shù)據(jù)[14],截至2023年1月1日,在軌地球探測衛(wèi)星共計1 192顆,包括高軌(GEO) 47顆、中軌(MEO)2顆、低軌(LEO)1 127顆、橢圓軌道(Elliptical)16顆,其中LEO衛(wèi)星占比高達95%。EESS涉及的軌道可進一步細分為地球靜止軌道、中地球軌道、極地軌道、太陽同步軌道和近地軌道等,僅風云系列衛(wèi)星就使用了靜止和極地2種軌道[15]。不同衛(wèi)星對地覆蓋特性因為軌道高度不同,或星載遙感器對地觀測角度不同,造成單次測量地球的表面積有很大的差異,如圖4所示。

(b)對地觀測角度不同

因探測業(yè)務開展對特定軌道和特定目標的需求,形成的遙感衛(wèi)星覆蓋圖,因軌道類型各異而出現(xiàn)差異性,反映到地面為衛(wèi)星的實時對地覆蓋圖(星下點軌跡)呈現(xiàn)出現(xiàn)各種形狀,如靜止軌道衛(wèi)星的星下點為固定不變的區(qū)域,極地軌道衛(wèi)星的星下點軌跡為連接2極的帶狀區(qū)域,各類非靜止軌道衛(wèi)星的星下點軌跡因衛(wèi)星軌道傾角的不同而與地球表面形成各種角度的帶狀區(qū)域,如圖5所示。

圖5 遙感衛(wèi)星對地覆蓋區(qū)域的差異(基于軌道類型)Fig.5 Differences on coverage areas of EESS satellites(by classification of orbit)

EESS空間電臺的軌道多樣,還存在諸如文 獻[16-17]描述的軌道機動和變軌等特殊探測需求,加上頻率劃分多樣,形成了不同場景,帶來業(yè)務頻率的下行覆蓋方式多樣。因此,在軌道和覆蓋多樣的情況下,同一頻段可能出現(xiàn)的場景數(shù)量為:軌道類別×天線波束角×軌道高度×軌道傾角×有源(無源),再加上頻段劃分的多樣性,在監(jiān)測中呈現(xiàn)的頻率使用場景將不計其數(shù),監(jiān)測天線的運動方式和監(jiān)測參數(shù)的設置也會千差萬別。

3.2 地球站頻率使用

作為EESS輔助用頻的測控和數(shù)傳鏈路,有如下幾種模式:① S頻段測控,X頻段數(shù)傳;② S頻段測控,Ka頻段數(shù)傳;③ S頻段測控,X頻段數(shù)傳,Ka頻段作為中繼。從頻率使用帶寬來看,S頻段帶寬小于X和Ka頻段。整體來看,測控用頻頻帶較窄,數(shù)傳用頻帶寬較大。

因測控鏈路和數(shù)傳鏈路工作原理和通信模式不同,二者的帶寬需求有較大差異。測控過程中需要更大的對空空間,以便地面運控中心能長時間控制衛(wèi)星。而向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù),希望傳輸信息更多,因此需要更穩(wěn)定的通信條件。二者的單次通信因需求不同,通信的時段有較大差異,如圖6所示。

圖6 測控和數(shù)傳通信時長差異示意Fig.6 Time difference on TT&C and data transmission link

測控地球站除上行覆蓋范圍與數(shù)傳地球站有較大的差異以外,二者在通信過程中的功率也有較大差異,一般前者的功率較小。在實際工程中,遙感衛(wèi)星的星載天線還會有形制的差異。若選擇全向天線,在軌道高度700 km時,對地覆蓋半徑可達2 900 km;若選擇星載相控陣天線,在典型波束角20°時,覆蓋半徑僅為200 km。不同遙感衛(wèi)星的波束覆蓋差異會對監(jiān)測天線的跟蹤參數(shù)設置產生影響,甚至會因參數(shù)設置不合理引起跟蹤時間變長,導致在監(jiān)測任務編排中出現(xiàn)監(jiān)測資源浪費的情況。

4 EESS的頻譜監(jiān)測方法

頻譜監(jiān)測是無線電頻譜資源管理過程中最重要的技術手段,能夠及時了解頻譜資源當前狀態(tài)、使用效能,可以準確驗證無線電臺站工作參數(shù)的合規(guī)性,為頻譜工程和資源規(guī)劃提供翔實可靠的參考數(shù)據(jù)。有效的監(jiān)測手段、可靠的監(jiān)測方法和準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)是提高無線電頻譜資源價值的重要途徑。

通過與現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)對比,結合頻率劃分和頻率使用的研究,對EESS開展監(jiān)測,需要充分掌握業(yè)務的頻率特征,在監(jiān)測中注重業(yè)務的頻率劃分規(guī)定和具體使用要求,重點關注臺站的用頻特點,在掌握詳細頻率特征的條件下開展監(jiān)測。

4.1 EESS的頻譜監(jiān)測需求

4.1.1 針對頻率劃分的頻譜監(jiān)測需求

從2.1節(jié)可知,EESS的基本頻率劃分體現(xiàn)為:頻段地位,當前頻段的劃分中EESS是主要業(yè)務還是次要業(yè)務;工作模式,為實現(xiàn)探測目的搭載的衛(wèi)星載荷是有源還是無源;使用方向,即頻率使用中是從地面向空間發(fā)射,還是空間向地面發(fā)射,亦或空間向空間發(fā)射,又或者當前頻段不限制頻率使用的方向。基本頻率劃分,在《無線電規(guī)則》對頻段劃分的表格中,能夠直接獲取。

從2.2節(jié)可知,附加頻率劃分共有6類情況, 表2中第1類～第4類的要求,在每個具體的腳注中都有詳細的規(guī)定和說明;對于第5類附加劃分的要求,不在腳注的內容中直接體現(xiàn),需要進一步查看相應的建議書和決議;對于最后1類附加劃分的要求,對該頻段開展監(jiān)測是為了確認頻率使用的合規(guī)性,以及頻譜中展現(xiàn)出的臺站射頻特征的合法性,需要結合具體的臺站參數(shù)來驗證。

綜合以上分析,可以確認基本頻率劃分和附加頻率劃分的監(jiān)測需求,應該區(qū)分不同的無線電業(yè)務場景,針對不同的業(yè)務頻段,體現(xiàn)具體劃分中各類規(guī)定和要求。對應到衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)中,需要將涉及EESS的劃分規(guī)定詳細、準確地體現(xiàn)出來,并能夠展示出當前監(jiān)測頻段的腳注信息,還需要在監(jiān)測時將附加劃分中需要遵守的建議書和決議的具體內容要求展示出來,必要時能夠體現(xiàn)該頻段內業(yè)務和臺站的所有詳細參數(shù)。

4.1.2 針對頻率使用的頻譜監(jiān)測需求

對EESS電臺工作模式的研究可知,因劃分規(guī)定的多樣性,以及對地探測需求和實現(xiàn)方法的多樣性,帶來頻率使用場景的豐富性,需要在監(jiān)測系統(tǒng)中以頻段為單位,并能夠區(qū)分每個頻段的具體用途,還要能夠將用途與其網(wǎng)絡資料中的申報內容、主管部門的批復結果相匹配。

對空間電臺和地球站頻率使用的研究可知,頻率使用場景建立在真實的無線電臺站上,開展監(jiān)測需要對被監(jiān)測臺站的基礎信息、運行信息、探測目的、實現(xiàn)手段、用頻情況、探測目標和軌道特征等技術參數(shù)有全面清晰的了解。此外,因測控鏈路和數(shù)傳鏈路的工作特點,需要掌握地球站的分布位置、通信時間和上行波束特點,還要了解2類地球站的工作狀態(tài)信息。

因無線電頻率對所有使用者的無差異性以及其稀缺性,導致在無線電頻率的使用過程中,必然會出現(xiàn)干擾,對于干擾的發(fā)現(xiàn)和確認是無線電監(jiān)測工作的重要環(huán)節(jié)。EESS的頻率劃分多樣,導致其頻率使用情況復雜,因此干擾的問題需要專門考慮。

干擾監(jiān)測可分為兩部分:發(fā)現(xiàn)干擾和確認處理干擾。發(fā)現(xiàn)干擾的前提是對當前系統(tǒng)的頻率使用狀況、頻譜特征有清晰準確的了解;確認處理干擾要求監(jiān)測過程中能快速獲取干擾特征、評估影響和快速確認干擾來源。頻率使用過程中的無線電干擾監(jiān)測需求如圖7所示。

圖7 無線電干擾監(jiān)測需求Fig.7 Monitoring requirement of radio interference

根據(jù)以上分析可知,干擾監(jiān)測的需求為:能夠與正常的信號相區(qū)分,并且能夠依據(jù)無線電規(guī)則和ITU-R RS.1028和ITU-R RS.1029等建議書中給出的干擾保護標準[18-19],評估干擾程度;對于確認后的無線電干擾,尋找干擾來源還要借助外部工具。

綜合以上研究分析,EESS的頻譜監(jiān)測需求如 表3所示。

4.2 基于頻率特征分類的EESS監(jiān)測方法

基于頻率特征分類的EESS監(jiān)測方法,將針對EESS的具體系統(tǒng)開展頻譜監(jiān)測工作,對系統(tǒng)的不同頻率特征開展差異化監(jiān)測。本監(jiān)測方法中包含平臺、天線等軟硬件設施,還包括臺站、許可和申報協(xié)調等關聯(lián)數(shù)據(jù),以及規(guī)則、條款、規(guī)定、建議書和決議等相關文件?？筛爬樵O備、規(guī)則和數(shù)據(jù)三方面的要求,以及為減少人工干預而產生的時間一致性和任務自動化的運行要求,如圖8所示。

圖8 基于頻率特征分類的EESS監(jiān)測需求和內容Fig.8 Monitoring requirement on EESS by classification of frequency characteristic

為實現(xiàn)上述基于頻率特征分類的EESS監(jiān)測方法,設計如圖9所示的EESS監(jiān)測平臺技術參考模型。

模型共5層,從下到上分別為設備層、基礎層、數(shù)據(jù)層、規(guī)則層和操作展示層?？砂凑枕攲?、中間層、底層進行分類,其中頂層為操作展示層,底層為基礎和設備層,兩部分是傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)中的必要模塊。模型的中間層——數(shù)據(jù)層和規(guī)則層,是基于本文的成果——基于頻率特征分類的EESS監(jiān)測方法的具體需求,在未來監(jiān)測系統(tǒng)的建設部署中,需要重點考慮和實現(xiàn)的內容,是區(qū)別于以往監(jiān)測方法的新增內容。

圖9 EESS監(jiān)測平臺技術參考模型Fig.9 Technical model of the monitoring platform for EESS monitoring

5 結束語

在研究EESS基本頻率劃分和附加頻率劃分的基礎上,歸納總結該業(yè)務特有的頻率劃分特點,結合空間電臺和地球站,對其工作模式和頻率使用特征開展了研究。在融合頻率劃分和頻率使用的監(jiān)測需求后,提出基于頻率特征分類的EESS監(jiān)測方法,并建立了技術參考模型。該模型能夠為監(jiān)測方法的實施提供參考,為面向業(yè)務和系統(tǒng)的監(jiān)測模式提供有效借鑒。

隨著無線電頻譜資源需求的不斷增加,未來的頻率劃分和使用會愈加復雜,衛(wèi)星頻譜監(jiān)測需要注意頻率在不同場景下劃分和使用的區(qū)別,需要針對不同對象開展有差別的監(jiān)測?；陬l率特征分類的EESS監(jiān)測方法,能夠面向具體的無線電業(yè)務,針對現(xiàn)實中某個具體的衛(wèi)星系統(tǒng)開展有效監(jiān)測,能夠為今后通信、導航和遙感一體化巨型星座背景下的頻譜監(jiān)測理念和現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)改進提供思路。囿于文章篇幅,該監(jiān)測方法在當前監(jiān)測系統(tǒng)中的實現(xiàn)路徑還需要進一步研究。